TW451044B - Variable stoichiometric combustion - Google Patents

Description

經濟部中失標準局負工消费合作社印装 451 04 4 ▲， A 7 ____B7 五、發明说明（1 ) 本發明有關一種燃燒方法，特別是有關最小化氮化物 (ΝΟχ)之燃燒方法以及有關彼之裝置。 長久以來已有一種減少或最小化燃料燃燒期間所致之污 染物（諸如一氧化碳（CO)、ΝΟχ、揮發性有機化合物（v〇c) 、戴奥辛、煙灰等放出的傾向。近年來，環境法令已成為 一致動力’惟近來減少有害排放物已與提高燃燒效率有關· 市售燃燒系統已著重在三種主要以控制排放物：減少燃 燒污染物形成；促使破壞燃燒污染物，及破壤外部污染物 。此等方法各兼具長處與缺點。 已使用各種方法（其全在於形成特定污染之動力控制）限制 諸如ΝΟχ、CO、各種芳族化合物與多環烴類等物質之燃燒 產生。減少排放NOx之特別為人所知實務之一係“分級”， 其係一種將燃料或是氧化劑分級輸送至燃燒區或火焰不同 部分之方法。藉由分級’將該燃燒區分成具有不同局部化 學計量之分離區域（通常分為兩個），於其中特定污染物（尤 其是ΝΟχ)之形成率相當小。雖然分級有效地減少排放ΝΟχ ，因為火焰安定性差及混合作用之故，分級有其限制，因 此燃燒效率與溫度分体差，而且扭小能力受限》因此，大 部分分級方法僅為適當混合作用與減少排放量之間的折衷 辦法。 因為對於涉及燃燒物質之化學反應及其可逆性暸解極少 之故，破壞燃燒污染物不常見。使用燃燒破壞技術方法之 一包括煙灰形成與破壞。此處，於火焰中形成煙灰增加主 要係在於提高輻射熱轉換，但是亦為減少其他污染物形成 本紙張尺度適用中闺國家標準（CNS > A4規格{ 21〇X 297公漦> ----,--；--装·------訂'-------線 (請先閱讀背面之注$項再填寫本«) 45104 4 經濟部中央揉準為貞工消费合作社印*. A7 B7五、發明説明（2 ) ，於該煙灰離開該火焰之前以氧化劑（諸如氧或OH基困）破 壞彼。亦藉由將活性化學物質（諸如尿）注入該火焰中以證 明諸如NOx等物質之燃燒破壞作用受限制形跡。不過，整 體而言，工業燃燒中並未廣泛進行燃燒污染物破壞作用· 因為外來污染物破壞作用之相對簡易性與其對於所使用 特定燃燒系統獨立性之故，其已被廣泛採用。一般而言， 於廢棄熱氣排出燃燒室或是該爐之前或之後將活性化學物 質導入該廢棄熱氣中。所使用方法包括注入氨以破壞ΝΟχ 、使用諸如甲烷之烴類進行外部“再燃燒作用”，及注入 氧以氧化CO與VOC類。此等方法之缺點係其成本高而且無 效率-因為即使最新穎系統仍為視感應到之污染物濃度控制 化學物質注射數量與速率之廢氣分析器之，此等物質之本 質仍極具反應性· 因此，本發明提供一種燃燒方法，其特徵為下列步驟： a) 在環境壓力下接近、於或低於可燃性下限之下完全混 合第一流體燃料與第一流體氧化劑物流，製得第一大 致均句之低於化學計量物流。 b) 在環境壓力下接近、於或高於可燃性上限之下完全混 合第二流體燃料與第二流饉氧化劑物流，製得第二大 致均勻之高於化學計量物流β c) 分別而且大體上同時燃燒該第一與第二物流，製得第 一與第二燃燒產物，維持第二物流之燃燒作用； d) 完全混合喷嘴裝置上游第一與第二燃燒產物製造一種 大體上均勻混合物流，及 -5- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 .装· 訂- 線 本紙張尺度逍用中國國家標年（CNS ( 210X297公釐） 45104 4 A7 B7_ 五、發明説明（3 ) e)經由喷嘴裝置通過該混合物流，並使該混合物流下游 燃燒，如此大體燃燒第一與第二流體燃料。 此種方法極明顯優點之一係其將排放作用降低至所謂 “超低”水準之能力。就NOx而言，此限制低於1〇 ppm， 而且以習用燃燒方法無法達到此限制。 為達到超低排放作用，本發明方法係以兩個具有不同化 學計量之分離空間位置或區以氧化劑（氧或富含氧之空氣） 燃燒一種燃料（氣態、液態或固態）。[化學計量率界定為介 於實際燃料/氧化劑比率與完全燃燒所需之燃料/氧化劑比率 間之比率。在甲烷實例中’完全燃燒之化學計量混合物包 括約33%氧中之甲烷；如此包含一體積份數甲烷之混合物 對於兩份數氧之化學計量值為一。低於化學計量（或濃）混 合物包含少於完全燃燒所需理論數量之氧化劑，而且化學 計董比率大於一。相反實例適用於一種高於化學計量（或贫 混合物。]本發明中，每區之實際化學計量不同，而且每區 具有特定功能。其中一區係用以在接近或於可燃性下限之 下燃燒氧化劑與燃料低於化學計量混合物，而其他分離區 係用以在或高於可燃性上限之下燃燒高於化學計量混合物 ’並安定此處之火焰。每區完結時，在此等區外混合離開 各區之熱產物混合物，以製造最终火焰並達到完全燃燒作 用-濃產生超低排放水準。 在給定環境條件下，存在可燃性上限（或濃）與下限（或貧） *而且僅在開始點燃該混合物之後可能發生火焰此等限制 之自我傳播*例如，於空氣或氧中之甲烷可燃性下限達到 -6- 本纸張ΧΛ適用中國國家揉準（CNS ) A4%#· ( 210X297公釐) {請先《讀背面之注$_ - )J ?項4(填寫. 本頁) 裝· •線 Μ濟部中夬樣率局貝工消费合作社印«. 451 04 4 A7 B7_; 五、發明説明（4 ) 約5%甲垸。就空氣而言，上限约丨5〇/〇甲烷，就氧而言約 61%甲坡。在室溫與大氣壓力（1大氣壓力，或1013巴，或 是7.6 X 102托耳’或是 1013 X ι〇5帕，或是 i 〇33 kgf cm’ 下’無火焰之氧氣氛會傳播至低於5%或是高於甲烷。 此亦界定甲烷/氧混合物之安全限制。一般而言，提高壓力 及/或溫度舍擴大可燃性之限制。若非同時發生，該貧與濃 物流之组合物與有關可燃性限制相當接近極佳，其主要可 以達到超低排放水準，以及最小化該组成高於可燃性上限 或是低於可燃性下限處之火焰傳播問題。例如就氧/甲烷混 合物而言，鼓組成介於約3%與6%之間以及介於約61%與 68%間為佳* 燃燒化學計量燃料/氧化劑混合物產生大比例二氧化碳 (COO與水（甲烷/氧實例），而且顯示以此等混合物可以達到 最高火焰溫度（事實上因動力效果之故，燃燒稍高於化學計 量（即化學計量比率梢大於一）混合物可得到最高溫度）·若 欲燃燒之混合物明顯低於-高於化學計量，會達到較低溫度 ’在可燃性限制處發現最低溫度（可燃點處之火焰溫度可能 低至1200°C或以下）。因為火焰溫度相當低以及經由稀釋效 果與混合物熱函改變之故，於該可燃點處，動力效果限制 火焰傳播。在本發明方法中，各區使用之混合物會產生具 有特定燃料之可能最低溫度。此意指本發明裝置可能為相 當簡單之設計及構造’不需要複雜冷卻系統或特殊抗高溫 材料。此外，諸如NOx與煙灰等污染物之形成已知與溫度 極為有關。該低於與高於化學計量物流之低溫燃燒不僅會 7· 本紙張从適用鮮（CNS ) A4«WS· ( 210X297公釐) · {請先S讀背面之注$項再填寫本頁) -Λ 訂---- 線 經濟部中*樣率局貝工消费合作社印«. 451 04 4五、發明説明（5 ) A7 B7 經濟部中央樣牟局負工消费合作社印裝 抑制此等污染物形成，其亦抑制此等污染物之先皙形成， 如此該物流燃燒產物之後續燃燒作用產生择少此等污染物》 如上述，很難以可燃性限制處之混合物達成火鉍傳播， 而且必須克服各區之火焰安定性、火焰拉伸及喷出問題。 高於可燃性上限時必須例如利用指示火焰或火花點燃系統 以確實維持該火焰。低於可燃性下限時，有時需要類似測 量方法，雖然實際上就氧/甲烷混合物而言，已驚異地發現 在低於可燃性下限時僅需要間歇再點燃作用即可使火焰傳 播。為了安定該貧與濃火焰，必須於個別區中燃燒之前完 全混合該燃料輿氧化劑，如此一經完全混合即開始燃燒， 而且可以達到實質均勻燃料/氧化劑混合物流。 將質量流量率較低之流體注射至質量流量率較高之流體 物流可達成此完全混合。在化學計量物流實例中，將該燃 料注射至作為載體氣體之氧化劑中。高於化學計量物流則 會發生相厲反現象。當介於燃料與氧化劑之間存在極高進 率之會發生該注射作用，其高於60: 1且最高至100: 1為佳 ，如此可以在短時間與短距離内達成強烈混合作用。 對於該氣tt施加逆轉迴盪添加剪切效果可以進一步改善 混合作用。熟知本技藝者會明白有數種方式使必要奈$及/ 或剪切作用促進燃料和氧化劑物流結合，如此確使完全混 合，諸如將燃料或氧化劑導入最紊流區、促進逆轉迴盪流 動、直接流動衝擊、再循環環繞一陡峭體物流或結合此等 方法。貧混合物僅需要相當小點燃能量，一個火花通常足 以點燃該混合物。為達到充分燃燒強度，必須儘可能增加 -8 - 本紙張尺度適用中國Η家標率（CNS > Α4规格（210Χ297公釐） 請 先 Η 面 之 注 意 事1( 旁 装 訂 〇 線 451 04 4 A7 A7 _ B7 «濟部中央樣準局貝工消费合作社印簟 五、發明说明（6 ) 逗留時間。為了達到接近既定溫度之均衡組合物，逗留時 間至少100 ms為佳· 使用與贫區相似之途徑克服該高於化學計量（或濃）區之火 焰安定性問題。此時可能將作為載體之氧化劑注入該燃料 物流中《火焰安定作用與高於化學計量實例相同。 工業中所使用之濃火焰係用以製造(^(^與h2(氫）以及煙灰/ 碳黑。大部分工業應用將該混合物組成設為恰低於該化學 計量限制。當組成愈接近可燃性下限時，會發生火焰安定 性與控制該產物比率等問題·大部分應用中因為致癌性質 之故，會形成不必要之大型多環芳族烴類以及煙灰·另一 方面’已習知在此等條件下發現藉由烴環之助經由NO與 N〇2逆反應成HCN與N2 (氮），濃混合物可能抑制N〇x形成》 本發明使用此事實但是避免產生煙灰輿V〇C類P 燃燒時，若混合物不夠接近可燃性上限，則會產生大量 VOC類輿煙灰》此等物質之形成可以藉由熱力與動力控制 »而且其顯示出高度溫度依存度。尤其是煙灰之形成於約 1200°C至1400°C開始’視燃料與條件而定。因此本發明描 述一種在低於此溫度範圍下燃燒濃燃料/氧化劑混合物之方 法。藉由極接近或是在上限’甚至高於上限情況下燃燒混 合物可以達成此方法。超出可燃性上限獲得之火焰因為相 當低溫之故，其稱為冷火焰。此等火焰中觀察得之溫度低 於1000 °c，而且在此等條件下燃燒速率相當低。使用上述 方法可以達到此等火焰之安定化作用，但是經由介於6〇〇°c 與1000°C間之溫度連續熱源可能會維持點燃作用。就此目 ----.--^-- C {請先閨读背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 装. 訂 線 本紙張尺度適用中躅«家標率（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） 經濟部中央標率局貝工消费合作社印装 45104 4 A7 B7 五、發明説明（7 ) 的而言’逸出少量燃料與氧化劑，並作為該濃區之指示火 焰。此指示火焰僅需要極少量燃料，通常總流量為1/1〇〇即 已充足《反之正常火焰範圍中心大約完全燃燒之瑝論混合 物（化學計量混合物），冷火焰範团中心約為緩慢燃燒中之 最具反應性之组合物。 本發明方法亦包括位於該燃燒區下游，而且由噴嘴裝置 或火焰穩定器组成之混合瘥*此處，混合來自各燃燒區之 熱火焰氣體以達到完全燃燒作用*因為不會形成污染物質 先質而且確定該混合作用完全均勻，所以可以達成超低之 排放水準。該噴嘴裝置之功能係提供該火焰一個停滯點， 並使該火焰本身空氣動力成形·藉由不同方法（諸如對於個 別流動施加迴盪或是將速率差設定為1:1)可以達到均句混 合作用* 本發明其他明顯優點係產生特定氣體混合物之能力。可 以自濃取出燃燒產物，諸如co/h2/m2/co2之特定混合物， 其特別適用於金屬工業，或是用於其他應用之其他混合物 ，而本發明提供在適當溫度下製造此等無烴混合物或其他 不會產生煙灰燃料之新穎與廉價方法。為補償取出之氣體 混合物以理想地控制此等物流之一或二者之質量流量率， 以確使下游燃燒步驟完全燃燒。 現在將以實施例並參考附圖描述本發明，該附圖中： 圖1係進行本發明燃燒方法之燃燒器第一具體實例示意圖 » 圓2係此種燃燒器第二具體實例示意囷，及 -10 - 本紙張尺度適用中國Η家棵率（CNS > A4規格（2丨0 X 297公釐） - _).· 03 (請先閎讀背面之注f項再填寫本頁)

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SL 45104 4 五、發明説明（8 ) A7 B7 圈3a至3d係以贫或濃比例混合燃料與氧化劑之各種裝置 示意固。 主要元件代表符號 F 流體燃料 16 r 混合裝置 0 氧化劑 16a 混合裝置 2 燃燒器 16b 混合裝置 2， 燃燒器 16c 混合裝置 4 燃燒室 16d 混合裝置 4， 貧燃燒區 18 火焰點燃器/安定器 6 燃燒室 20 最奈流區域 6' 濃燃燒區 22 陡峭體 8 單一室 24 葉輪 8' 室 26 葉輪 10 隔板 28 導管 12 噴嘴 30 陡峭體 14 最終火焰 ---------- . - /- (請先Μ讀背面之注填寫本頁) 訂 線 經濟部中央樣準局負工消费合作社印製 圈1之燃燒器2包括兩個燃燒室4, 6,該圖顯示此處係以 一個隔板10分隔單一室8形成，而且具有一個常見喷嘴12, 由該喷嘴12排出最終火焰14 ^將流體燃料F與氧化劑0供應 至位於各燃燒室内之混合裝置16 » 該燃料與氧化劑供應係將一種極“貧”混合物供應至位 於室4之混合裝置16,並將“濃”混合物供應至室6之混合 裝置16。在每個裝置16中完全混合該燃料與氧化劑，當其 -11 - 本紙依尺度逍用中國Η家揉率（CNS ) Α4規格（210><297公釐） 451 04 4 A7 _ B7 五、發明説明（9 ) 自此處放出時點燃並燃燒◊燃燒作用係於供應至各室之氧 化劑在該室中用盡時完成；自贫室4排出包括未燃燒氧化劑 之熱燃燒產物，並自濃室6排出包括未燃燒燃料之熱燃繞產 物。於最終火焰14完全燃燒之前，當此等物流到達且通過 喷嘴12時將彼混合。選擇燃料與氧化劑數量不僅在於產生 與個別室6, 4中可燃性上限與下限相近之燃燒作用，亦可 獲得最终火焰14之預定燃料：氧化劑比率。此比率大致為 化學計量，或是有時需要提供輕度氧化或還原條件。經由 各燃燒室（其阻止NOx及其先質形成）之低溫與最终燃燒之化 學計量性質可以最小化有害排放物產生。 下列實施例說明本發明燃燒作用之效用（所有比例係乾燥 體積％): 供應至濃室： 33%氧 67%天然氣（甲烷） 濃室中之溫度： 746 °C 濃室中之燃燒產物： 甲烷 5.47% —氧化碳（CO) 30.8% 二氧化碳（co2) 1.8% 氩(H2) 61.8% 氮(n2) 0.056% 氧(〇2) 0 一氧化氮（NO) 7.3xl〇'20% 供應至貧室： 95%氧 5%天然氣 12- 本紙張尺度逍用中國國家#车（CNS > Α4规格（210Χ297公釐） Μ濟部中央梯準局貝工消费合作社印«. 4 5104 4五、發明説明（10 ) 貧室中之溫度： 貧室中之燃燒產物 A7 B7 請 先 Η 面 之 注 意 事

貪 最終燃燒溫度： 最终燃燒產物：

1177〇C 甲烷 CO C〇2 H2 n2 〇2 〇2 OH NO 二氧化氮 1997〇C 甲烷 CO C〇2 h2 n2 〇2 OH O NO 2xl〇·5% 5.64% lxl O'5% 0.007% 94.33% 0.0002% 0.009% 0.002% 2x10'5% 0 0.7% 25.8% 43.8% 0.04%11.8% 17.0% 0.14% 0 參考圖2,燃燒器2’顯示具有許多與圖1燃燒器2相似零件 圖2中與圖1完全相同之零件下文使用相同參考數字或字 13- 本紙張尺度適用中國S家標準（CNS ) A4*IL格（210Χ297公釐） 45104 4五、發明説明（11 A7 B7 趄濟部中央橾準局負工消费合作社印策 母；具有素數之參考數字表示具有相似功能但是具有不同 構造之零件*可以看出燃燒器2,沒有諸如囷1之隔板1〇等物 理分隔裝置。此外’如本技藝所習知，藉由各混奋裝置16 製得之分離火焰在室8’中產生不同貧與濃燃燒區4’，6，。 圈1與2所示之各混合裝置具有火焰點燃器/安定器18。對 於最初點燃火焰及傳播火焰至可燃性限制外二者而言均極 必要。最常見之安定器係一預燃小火，其由取自供應至特 定混合裝置16之極少量燃料與氧化劑提供燃料。 圖3a與3d顯示完全混合燃料與氧化劑之不同裝置，而且 適用於本發明。在所有實例中，燃料F與氧化劑〇純粹用以 說明相關技術，而且可以交換》 混合裝置16a係在將燃料F導入該氧氣〇流之最紊流區域2〇 之原則下操作，由此可知其流經陡峭體22。 混合裝置16b包括用以產生燃料F與氧Ο逆轉物流之逆向葉 片或葉輪24, 26;該物流之迴盪產生完全混合。 混合裝置16c係以燃料F與氧化劑Ο物流直接衝擊操作，其 係由被放置之導管28引起以將該物流聚合在一起。 最後，混合裝置16d包括一個陡峭體30,與彼直接衝擊接 觸會造成分離但是實質平行之燃料F與氧化劑Ο物流。通過 體30時，此等物流會完全混合。 熟知本技藝者會明白許多其他混合裝置，諸如上述之组 合。此外，雖然本發明特別參考甲烷描述，但是其可使用 任何流體燃料，諸如氣體或一種流體燃料之霧化物流，及 富含氧之空氣、空氣或任何其他流體氧化劑。 14- 本紙張尺度遑用中國國家橾準（CNS > Α4規格（210Χ297公釐） 請 先 閏 面 之 注 頁 裝 訂 線 i

Claims (1)

1. 45104 4 第88114258號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(90年3月） 申請專利範困

   1. 2. 3. 娌濟部中央#率局員工消费合作社印SL 4. 一種燃燒方法，其特徵係下列步驟： a) 在大氣壓力下，接近於或低於較低可燃性極限時完全 混合第一流體燃料與第—流體氧化劑物流，以製得第 一大致均勻之低於化學計-量物流； b) 在大氣壓力下，接近於或高於較高可燃性極限完全混 合第二流體燃料與第二流體氧化劑物流，以製得第二 大致均勻之高於化學計量物流； c) 分別而且大體上同時燃燒該第一與第二物流，製得第 一與第二燃燒產物’維持第二物流之燃燒作用； d) 完全混合喷嘴裝置上游之第一與第二燃燒產物，以製 造一種大體上均勻混合物流，及 e) 經由該喷嘴裝置通過該混合物流，並使該混合物流於 其下游燃燒，藉此大體燃燒該第一與第二流體燃料》 根據申請專利範圍第1项之方法，其中混合步驟a)及/或步 騾b)包括將質量流量率較低之流體注射至質量流量率較 高之流體物流。 根據申請專利範圍第1項之方法，其中於該a)步驟中，第 一流體燃料係經由注射進入第一流體氧化劑中，該注射 發生在第一流體燃料與第一流體氧化劑間之注射進率為 60 : 1及 100 : 1之間- 根據申請專利範圍第1項之方法，其中於該b)步縣中，第 二流趙氧化劑係被注射進入第二流趙燃料中，該注射發 生在第二流體燃料與第二流體氧化劑間之注射進率為 60 : 1及 100 : 1之間。 本纸承尺度逋用中國國家梂率（CNS ) A4規格（210x297公釐） 請 先 聞 面 之 注 I 裝 订 6.45l^04_4申請專利範園 AS B8 C8 D8 經濟部t央標率局HBC工消费合作社印装 根據令請專利範圍第w之方法，其中混合步叫及混合 步鄉b)之逗留時間皆各至少為ι〇〇毫秒。 根據申請專利範圍第〗或2項之方法，其中第一與第二物 流之速度於步驟d)開始時實.質上不同。 根據申請專利範圓第〗或2項之方法，其中利用—個指示 火焰維持第二物流之燃燒作用，其係由取自第二流體燃 料物流之小比例燃料及接近化學計量數量之氧化劑供應 燃料。 根據申請專利範圍第6項之方法，其中該氧化劑數量係取 自第一與第二流體氧化劑之物流。 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其包括於步驟d)之 前取出某一比例之第二物流燃燒產物。 10·根據申請專利範圍第9項之方法，其包括根據取出之燃燒 產物數量調整第一及/或第二物流之質量流量率。 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該第一及/或第 二流體氧化劑係氣態氧或富含氧之空氣。 12. —種燃燒裝置，其包括具有出口喷嘴與用以將流體燃料 與氧化劑物流完全混合成至少兩道分離物流以及將該物 流導入室中，以便於喷嘴出口之前在該室不同區域分別 燃燒之裝置，提供此等使火焰維持在該物流至少一者中 7. 8 9. -2- 本紙浪尺度適用中國國家#準< CNS ) A4洗格（210X297公簸） (請先《讀背面之注f項再填窝本頁)